close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY4677

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 4677
(13)
C1
(51)
(12)
7
G 01C 3/08,
G 01S 17/10
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ОБЪЕКТА (ВАРИАНТЫ)
(21) Номер заявки: 961087
(22) 1996.11.27
(46) 2002.09.30
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Авторы: Кугейко М.М., Коростик К.Н. (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский
государственный университет (BY)
(57)
1. Способ измерения дальности объекта, включающий посылку зондирующего излучения на объект и
прием отраженного от объекта излучения, при этом устанавливают пороговое значение для принятия решения о наличии отраженного от объекта сигнала, обеспечивающее режим рециркуляции оптоэлектронного генератора, измерение дальности объекта D на основе измерения частоты рециркуляции оптоэлектронного генератора с точностью, величина которой ограничена величиной периода колебаний внешнего стабильного
синхронизирующего генератора, при этом осуществляют стабилизацию задержки излучения в лазере, определение домера дальности в пределах, ограниченных величиной периода колебаний внешнего стабильного
синхронизирующего генератора путем подстройки тока инжекции лазера до получения режима синхронизации частоты рециркуляции оптоэлектронного генератора с частотой колебаний внешнего стабильного генератора, отличающийся тем, что после определения дальности измеряют сигналы обратного рассеяния в атмосфере, восстановленные на квадрат расстояния, накопленные соответственно на интервалах
[D0/с, (D-2∆R)/с], [D0/с, (D-∆R)/с], [(D-2∆R)/с, (D-∆R)/с], [(D-∆R)/с, D/с],
где D0 - начальное расстояние, соответствующее началу накопления сигнала обратного рассеяния,
с - скорость света,
∆R - расстояние, соответствующее временному разрешению с⋅∆t при определении сигнала обратного рассеяния,
∆t - ширина канала регистрации сигнала,
и в соответствии с их значениями устанавливают пороговое значение для принятия решения о наличии отраженного от объекта сигнала.
Фиг. 1
2. Способ измерения дальности объекта, включающий посылку зондирующего излучения на объект и
прием отраженного от объекта излучения, при этом устанавливают пороговое значение для принятия решения о наличии отраженного от объекта сигнала, обеспечивающее сигнал на выходе порогового устройства,
BY 4677 C1
измерение дальности объекта D на основе определения временного интервала между моментами посылки и
приема отраженного от объекта излучения, отличающийся тем, что после определения дальности измеряют
сигналы обратного рассеяния в атмосфере, восстановленные на квадрат расстояния, накопленные соответственно на интервалах
[D0/с, (D-2∆R)/с], [D0/с, (D-∆R)/с], [(D-2∆R)/с, (D-∆R)/с], [(D-∆R)/с, D/с],
где D0 - начальное расстояние, соответствующее началу накопления сигнала обратного рассеяния,
с - скорость света,
∆R - расстояние, соответствующее временному разрешению с⋅∆t при определении сигнала обратного рассеяния,
∆t - ширина канала регистрации сигнала,
и в соответствии с их значениями устанавливают пороговое значение для принятия решения о наличии отраженного от объекта сигнала.
(56)
Коростик К.Н. Приборы и техника эксперимента. - 1996, № 5. - С. 5-18.
EP 0076232 A2, 1983.
FR 2567275 A1, 1986.
SU 1364870 A1, 1986.
SU 1348645 A1, 1987.
WO 96/22509 A1.
GB 2095504 A, 1982.
Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при создании дальномерных
устройств повышенной точности на основе полупроводниковых лазеров.
Известен способ измерения дальности [1], основанный на использовании оптоэлектронного рециркуляционного генератора в котором длина измеряемой трассы выполняет роль оптической линии задержки в цепи обратной связи генератора. При этом осуществляется синхронизация частоты импульсов тока возбуждения полупроводникового лазера-излучателя оптоэлектронного генератора с кварцевым генератором. Тогда
искомая дальность с точностью до периода кварцевого генератора определяется по частоте рециркуляции, а
"домер" в пределах периода кварцевого генератора осуществляется нониусным способом.
Недостатком способа [1] является то, что и при синхронизации частоты подачи импульсов тока на полупроводниковый лазер внешним кварцевым генератором, хотя передний фронт токового импульса оказывается жестко связанным с фронтом n-ого импульса синхронизирующей последовательности кварцевого генератора, световой импульс имеет различную задержку по отношению к токовому импульсу при разных
температурах и деградации лазера. Это не позволяет с помощью такого способа получить погрешность измерения дальности объектов меньшую, чем погрешность, обусловленная нестабильностью задержки генерации излучения в полупроводниковом лазере. Кроме того, для способа [1] характерны и погрешности, обусловленные ослаблением лазерного излучения при прохождении исследуемой трассы. Таким образом,
точность измерения дальности указанным способом зависит от стабильности характеристик полупроводникового лазера и атмосферных условий.
Наиболее близким к заявляемому является разработанный в последние годы способ [2], основанный на
использовании оптоэлектронного рециркуляционного генератора на основе управляемого полупроводникового лазера. Длина измеряемой трассы (дальность) выполняет роль оптической линии задержки в цепи обратной связи такого генератора. При этом, управляя величиной тока накачки полупроводникового лазера задержку генерации в нем устанавливают равной наперед заданной величине, а потом, изменяя ток накачки
получают режим синхронизации частоты рециркуляции оптоэлектронного генератора с частотой колебаний
стабильного кварцевого генератора. Тогда величину "домера" в дальности в пределах периода синхронизирующего кварцевого генератора определяют из зависимости задержки генерации в лазере от амплитуды тока
возбуждения. В таком способе исключается влияние температуры и деградации лазера на величину задержки
генерации излучения и, следовательно, повышается точность измерения дальности.
Недостатком способа [2] является зависимость частоты рециркуляции, а следовательно, и точности измерения дальности, от величины поглощения лазерного излучения на измеряемой трассе, поскольку принятие
решения о наличии отраженного сигнала осуществляется по порогу, задаваемому при его приеме, а значит,
изменение состояния среды требует соответствующей коррекции порога.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена диаграмма, поясняющая принцип
выбора интервалов для определения функционалов I1-I4, соответствующих накоплению сигналов обратного
рассеяния на задаваемых участках трассы. На фиг. 2 показана функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ в рециркуляционном варианте дальномера, на фиг. 3 - в импульсном варианте дальномера.
2
BY 4677 C1
Действительно, пусть при каждой посылке зондирующего импульса излучения полупроводникового лазера мощностью Pист в параллельном канале дальномера регистрируются профили сигнала обратного рассеяния, восстановленного на квадрат расстояния, т.е. определяются функционалы [3]:
I( ∆ R ) =
R + ∆R
APист g π (R + ∆R ) 2
P(r ) r 2 dr =
T (0, R )[1 − exp(−2ε∆R )] ,
2
R
∫
(1)
где R = c⋅t, с - скорость света; t - текущее время, отсчитываемое с момента посылки зондирующего импульса;
∆R = с∆t - ширина канала регистрации сигнала, соответствующая временному интервалу ∆t, gπ - среднее
значение коэффициента рассеяния в направлении назад на участке (R, R + ∆R); ε -коэффициент ослабления;
T2(0, R) - прозрачность участка (0, R).
Для функционалов Ii, i = 1, 2, 3, 4, определенных их на интервалах [D0, D - 2∆R], [D0, D-∆R], [D-2∆R, D∆R], [D-∆R, D] (фиг. 1) (здесь D - расстояние до объекта, определенное при первоначальных посылках зондирующего излучения (когда идет "калибровка" системы), t0 ~ D0, t0 - задаваемое начальное время с которого
начинается накопление сигнала обратного рассеяния, R = c⋅t, ∆R = c⋅∆t) можно записать следующие выражения:
I1 = Bx1a 0 (1 − a1 ) ,
I 2 = Bx 2 a 0 (1 − a1a 2 ) ,
(2)
I 3 = Bx 3a 0 a1 (1 − a 2 ) ,
I 4 = Bx 4 a 0 a1a 2 (1 − a 3 ) ,
P
где B = ист ; a 0 = T 2 (0, D 0 ) ; a1 = T 2 (D 0 , D − 2∆R ) ; a 2 = T 2 (D − 2∆R , D − ∆R ) ;
2
a 3 = T 2 (D − ∆R , D) ; x1 = g π (D 0 , D − 2∆R ) ; x 2 = g π (D 0 , D − ∆R ) ;
x 3 = g π (D − 2∆R , D − ∆R ) ; x 4 = g π (D − ∆R , D) .
Из (3) имеем:
I
I1
1 − a1
n 1− a2
=m
⋅
, 3 =
,
I2
1 − a1a 2 I 4 a 2 1 − a 3
(3)
где m=x1/x2; n=x3/x4.
Решение системы (3) относительно а1 при условии a2 ≈ a3→ 1 имеет вид:
a1 = exp[−2τ(D 0 , D)] =
mI 2 − I1
.
nI 2 − nI1I 4 / I3
(4)
Для протяженных участков рассеивающих сред значение m практически во всех случаях с большой точностью равно 1. Когда на участках [D - 2∆R, D - ∆R], [D - ∆R, D] отсутствует граница раздела сред, то во
всех случаях и n = 1. При этом (4) принимает вид:
exp[−2τ( D 0 , D)] =
I 2 − I1
.
I 2 − I1I 4 / I 3
(5)
Так как выражение для мощности сигнала, отраженного от объекта имеет вид [4]:
PS =
ε 2 QPu ⋅ S n − 2τ
e
,
πτ 2
(6)
где τ = ε(D-D0); Q - коэффициент отражения от поверхности объекта; Sn -площадь входного зрачка приемника, то разделив (6) на (5) получим
'
QP ⋅ S
PS = PS / e − 2τ = π(D −u D n)2 ,
0
т.е. скорректированный на ослабление в среде сигнал
(7)
PS , не зависящий от состояния среды.
'
Устанавливая порог принятия решения о наличии отраженного излучения в соответствии с (7), таким образом исключается временная неопределенность появления импульсного отклика на выходе фотоприемника,
обусловленная ослаблением излучения в атмосфере. Другими словами, исключается влияние изменения состояния среды на определение дальности до объекта, тем самым повышается точность определения дальности.
Измерение дальности предлагаемым способом осуществляется следующим образом. С помощью оптоэлектронного генератора, в котором измеряемое расстояние до объекта выполняет роль линии задержки, в
цепи обратной связи организуется процесс рециркуляции оптических электрических импульсов. При этом
моменты посылок электрических импульсов на полупроводниковый лазер-излучатель привязываются к последовательности импульсов внешнего синхронизирующего кварцевого генератора, а задержка импульсов
излучения полупроводникового лазера относительно импульсов тока возбуждения стабилизируется. В этом
случае искомая дальность D выражается через измеренную частоту рециркуляции в виде [2]
3
BY 4677 C1
D=

c 1
c

t опт = 
− t эл − t ст
лаз − ∆t x  ,

2 fp
2


(8)
где tопт - время распространения светового сигнала на измеряемой дистанции; t ст
лаз - задержка возникновения
генерации в лазере; ∆tх - время рассогласования между ближайшим импульсом с синхронизирующего генератора и моментом прихода импульса с дистанции, tэл - задержка в электрической части дальномера (пороговом устройстве, делителях и т.д.).
Так как значение tэл в (8) может быть представлено в виде:
t эл = nTкг +
U п τ0
U п τ0
,
= nTкг +
PSηR H
U фпу
(9)
где n - целое число; Ткг - период следования импульсов с синхронизирующего кварцевого генератора; Uп пороговое напряжение регистрации отраженного от объекта излучения приемным устройством дальномера;
η - квантовая эффективность фотоприемника; τ0 - длительность фронта импульса, принятого с дистанции; RH
- сопротивление нагрузки; Uфпу - амплитуда напряжения на выходе фотоприемного устройства.
То как видно из (8) и (9), при известном Tкг, n, tñò
ëàç и tэл по частоте рециркуляции fp определяется оценочное значение дальности D с точностью до периода синхронизирующего кварцевого генератора (т.е. без учета
∆tx). Далее, используя (8), выбираются значения D0; D, D - ∆R; D - 2∆R, в пределах которых определяются
функционалы I1 ÷ I4. С их помощью по (5) рассчитывается значение величины ослабления излучения атмосферой на исследуемой трассе и в приемном устройстве устанавливается порог PS' , не зависящий от состояния среды.
Далее, управляя задержкой возникновения генерации в полупроводниковом лазере-излучателе дальномера путем регулирования тока постоянного смещения I0 получают режим синхронизации частоты рециркуляции оптоэлектронного генератора с частотой внешнего синхронизирующего кварцевого генератора. При
этом определяется значение ∆tx из известной зависимости [5] задержки генерации в полупроводниковом лазере от тока

t лаз = τ сп 1n I /(I − I ст
п + I0  .


(10)
Выражение для ∆tx, исходя из этого, имеет вид:


∆I 0
,
∆t x = τ сп 1n 1 −
 I − I ст + I 
п
0

(11)
где τсп - спонтанное время жизни неравновесных носителей заряда в лазере; I - амплитуда импульса возбуждающего тока; I ст
п - пороговый ток лазера при работе его в стационарном режиме; I0 - ток начального постоянного смещения лазера; ∆I0 - приращение постоянного тока инжекции, необходимое для изменения задержки в лазере на величину ∆t.
После указанных вычислительных операций и установки порога в приемном устройстве с учетом поглощения
точное значение дальности до объекта определяется, согласно (8), по измеренной частоте рециркуляции, известных значениях tэл и t ст
лаз и определенной, согласно (11), величине ∆tx.
Блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ, приведена на фиг. 2. Устройство содержит
синхронизирующий кварцевый генератор 1, ключ 2, генератор импульса тока 3, инжекционный лазер 4, фотоприемники 5, 6, пороговое устройство 7, частотомер 8, блок управления 9 интегратор 10 и вычислитель 11.
Устройство работает следующим образом. При первоначальном запуске генератора импульсов тока 3 импульсом тока с его выхода возбуждается инжекционный лазер 4, излучение которого направляется на лоцируемый объект. Отраженное объектом излучение принимается фотоприемником 5, выходной сигнал которого поступает на
пороговое устройство 7. Сигналом порогового устройства 7 управляется ключ 8, который по сигналу порогового
устройства открывает его на время Tкг<t<2Tкг. Частота рециркуляции fp измеряется частотомером 8. По измеренной
частоте рециркуляции (дальности с точностью до Tкг) блоком управления 9 в интеграторе 10 последовательно устанавливаются интервалы интегрирования, равные [D0/C, (D-2∆R)/C], [D0/С, (D-∆R)/C], [(D-2∆R/C), (D-∆R)/C], [(D∆R)/С, D/C]. Интегрированием сигнала фотоприемника 6, регистрирующего сигнал обратного рассеяния (СОР) в
течение указанных времен, получают значения функционалов I1 ÷ I4, по которым вычислителем 11 в пороговом
устройстве 7 устанавливается порог PS' , скорректированный на влияние среды распространения зондирующего
импульса. Далее определение расстояния идет по алгоритму (5), т.е. с осуществлением "домера" в дальности в
пределах периода колебаний синхронизирующего генератора при скорректированном пороге.
Важно отметить, что дополнительные операции по вычислению I1 ÷ I4 и PS' не увеличивают общее время
определения дальности до объекта, поскольку выполнение дополнительных операций осуществляется в те4
BY 4677 C1
чение времени, пока в дальномере идет "калибровка" - установка задержки излучения в лазере равной наперед заданной величине. Т.е. заявляемый способ имеет быстродействие не хуже, чем в способе-прототипе.
2. Исключение влияния атмосферы на точность измерения дальности способом корректировки порога
реализуется и в импульсном варианте измерения дальности.
В этом случае вместо определения D по частоте рециркуляции используют операцию определения длительности временного интервала от момента посылки зондирующего импульса до момента регистрации его
на выходе порогового устройства. После получения оценочного значения временного интервала между моментом посылки зондирующего импульса и поступления его на пороговое устройство производят коррекцию порога принятия решения путем измерения накопленных сигналов на интервалах [D0/C,(D-2∆R)/C],
[D0/С, (D-∆R)/C], [(D-2∆R/C), (D-∆R)/C], [(D-∆R/C, D/C], т.е. путем установления функционалов I1 ÷ I4, описываемых (2), и подстановки их значений в (5).
Блок-схема устройства, реализующего заявляемый способ по п. 2 (импульсный вариант) показана на
фиг. 3. Устройство содержит генератор запускающего импульса 1, усилитель импульсов тока 2, инжекционный лазер 3, измеритель временных интервалов 4, фотоприемники 5 и 6, пороговое устройство 7, блок
управления 8, интегратор 9 и вычислитель 10.
Устройство работает следующим образом. Импульс с генератора запускающего импульса 1, усиленный в
усилителе импульса тока 2, возбуждает лазер 3 и запускает измеритель временного (например, счетчик импульсов, преобразователь t-t, t-u и т.п.) интервала 4. Сигнал, принятый с дистанции фотоприемником 5, поступает на пороговое устройство 7. Сигнал с выхода порогового устройства 7 останавливает измеритель
временного интервала 4. По измеренному блоком 4 интервалу блоком управления 8 в интеграторе 9 устанавливаются интервалы интегрирования [D0/С, (D-2∆R)/C], [D0/С, (D-∆R)/C], [(D-2∆R/C), (D-∆R)/С], [(D-∆R)/C,
D/C] сигнала с фотоприемника 6. На выходе интегратора 9 получают значения функционалов I1 ÷ I4, по которым вычислителем 10 в 7 устанавливается скорректированный на влияние среды порог PS' . Далее определение расстояния идет по алгоритму (5), т.е. с осуществлением "домера" в дальности в пределах периода колебаний синхронизирующего генератора при скорректированном пороге. Таким образом, влияние
атмосферы на точность измерения исключается и в данном варианте измерений расстояний до объекта.
Источники информации:
1. А.с. СССР № 1144474. М. кл/3 G01С 3/08.
2. Коростик К.Н. Рециркуляционный метод в прикладных исследованиях // Приборы и техника эксперимента. - № 5, 1991. - С. 5-18.
3. Зуев В.Е., Креков Г.М., Крекова М.М. Лазерное зондирование атмосферного аэрозоля (теоретические
аспекты): В кн. Дистанционное зондирование атмосферы. - Новосибирск: Наука, 1978. - с. 23.
4. Молебный В.В. Оптико-локационные системы. - М.: Машиностроение. - 1981. - с. 23.
5. Грибковский И.П. Полупроводниковые лазеры. - Мн.: Университетское, 1988. - 304 с.
BY 4677 C1
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
152 Кб
Теги
by4677, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа